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温差发电机:不用电的“智能”风扇

时间:2017-12-27 14:06 0 306 | 复制链接 |

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我给朋友捎了一个不耗电的ECOFan风扇(译注:一种利用热能发电作为能源的风扇),这个概念相当酷,所以打算自己从头仿制一个。一个反向安装的半导体制冷片通过温差发电给风扇供应能源。也就是说,只要把它放在温暖的炉子上头,它就会吸收热能驱动风扇转动。
我一直想做个斯特林发动机,可惜复杂度略高。不过这个温差发电的小风扇很简单,适合在一个周末里搞定。
温差发电机原理
温差发电依靠帕耳帖效应,这种效应常用于cpu散热器和袖珍冰箱里的半导体制冷片上。通常使用时我们给制冷片施加电流,一面就会变热而另一面变冷。但是这个效应也可以反过来:只要制冷片两端有温差就会产生电压。
塞贝克效应和帕尔帖效应
不同的金属导体(或半导体)具有不同的自由电子密度(或载流子密度),当两种不同的金属导体相互接触时,在接触面上的电子就会由高浓度向低浓度扩散。而电子的扩散速率与接触区的温度成正比,所以只要维持两金属间的温差,就能使电子持续扩散,在两块金属的另两个端点形成稳定的电压。由此产生的电压通常每开尔文温差只有几微伏。这种塞贝克效应通常应用于热电偶,用来直接测量温差。

一个温差发电电路由两种赛贝克系数不同的材料接触构成(比如P型半导体和N型半导体)。如果没有负载,电路中不会有电流但是两端会有电动势,这时候它以检测温度的热电偶方式工作。(图片来源:wikipedia.org)
帕尔贴效应是塞贝克效应的逆效应,可以产生在两种不同金属的交界面,或者一种多相材料的不同相界间,也可以产生在非匀质导体的不同浓度梯度范围内。当对上述三种材料通入电流时,金属1会对金属2或相1对相2,或浓度点C1与C2间产生放热或吸热反应。简而言之,当在两种金属(或半导体)回路上施加电压通入电流后,不同金属的接触点会有一个温差。

利用塞贝克效应的热电制冷器电路图。(图片来源:wikipedia.org
由于半导体温差电材料的品质因数比金属的高得多,所以有实用价值的温差电材料都是用半导体材料制成的。帕尔贴器件是利用半导体的帕尔贴效应制冷的器件,实用的半导体制冷器由很多对热电元件经并联、串联组合而成,也称热电堆。单级热电堆可得到大约60℃的温差。热电堆也可根据塞贝克效应工作把热能(即内能)转化为电能进行温差发电。当温差电堆两端处于不同温度时,就会产生电动势,可以输出功率。
制作工具和材料
工具
  • 电磨
           
  • 钢锯
           
  • C型架子
           
  • 锉刀/砂纸
           
  • 电烙铁
材料
  • 一个12cm的CPU散热器
           
  • 一个半导体制冷片
           
  • 一个1.5V额定电压的电动机
           
  • 一个旧的奔腾II CPU散热器
           
  • 一个6英寸的遥控飞机螺旋桨
           
  • 一些1/8英寸厚的废铝片
           
  • 6套螺母和螺栓
制作过程制作过程很简单,大多数部件直接在网上买最便宜的就行。最大的花费是那个12cm大的热管散热器,价值20美元。但是它附带了大部分能直接应用的安装配件和配套螺丝,没有这些配件会带来很多麻烦。
温差发电机的构成(查看大图
半导体制冷片来自一家本地店铺(因为我想尽早拿到周末开工)。可以买到适应更高温度的温差发电专用片(黑贵!),不过大多数情况下不太需要,热源不过是壁炉和开水的程度。
制冷片大约能产生1.5~3V的电压,提供的能量也不大。Radio Shack的小电机很合适(3美元)。用作风扇的是一个遥控飞机的螺旋桨,安装时稍费了一些力。
底板的原材料是1/8英寸厚的铝板,用钢锯锯下需要的尺寸然后打磨边缘就好。
制作的时候不怎么需要计划和图纸,因为你只需要把一叠材料对齐夹住,然后在差不多的地方钻出螺丝孔就好,一只手也能胜任。有些手工误差都不打紧。也许你愿意把孔的位置角度都规划对齐,但是我觉得越简单越好。
我给电机做了一个小支架,这样风扇离顶部的热管散热片更近,能更好地帮助散热。
整个风扇的底座是一个奔腾II的散热器。它有两个作用,一是支撑风扇,二是收集热量在半导体制冷片的两面制造温差。


第一次运行的时候,顶部的热管散热片只是稍微温暖。这个风扇的散热效率比买来的EcoFan更好,可以在炉子前面正常工作。
这就是几个小时之后的成果,祝制作愉快!


作者:叶子疏
链接:https://www.guokr.com/article/436937/
来源:果壳
本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系sns@guokr.com


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